一種三自由度運動永磁球形步進電動機驅動電路的製作方法

2024-03-06 19:09:15

本發明涉及特種電機控制領域，具體涉及一種三自由度運動永磁球形步進電動機驅動電路。

背景技術：

在機器人關節、機械手等工業生產應用領域中，現有的多自由度運動裝置多由傳統的單軸電機和機械傳動機構構成，這種連接裝置不僅降低了控制精度和響應速度，而且體積龐大。在多自由度運動控制系統等具有更高要求的控制系統中，傳統的多自由度裝置受到了很大的限制。球形電機的出現，給三自由度運動系統提供了一種新的思路，它具有體積小、靈活性高、快速定位等優勢，但在轉矩逆模型的精確建立、通電控制策略、位置檢測等方面出現了新的難題，這給球形電機控制裝置的設計也帶來了新的挑戰。

由於永磁球形步進電機能夠實現三自由度運動的結構特點，其定子線圈少則十幾個多則幾十個，因此傳統電機控制裝置的驅動電路對於永磁球形電機不再適用。目前，業內需要開發出一款輸出電流大、控制精度高的永磁球形電機電流控制裝置，從而驅動球形電機實現三維空間中多自由度的運動。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，提供一種能夠輸出多路電流大小極性可控、輸出電流大、精度高、結構簡單、便於調試和維護的永磁球形步進電動機驅動電路，本發明提供以下技術方案：

一種三自由度永磁球形步進電動機驅動電路，包括電源、逆變單元、驅動單元、邏輯轉換單元、電流採樣控制單元、過流保護控制單元；所述邏輯轉換單元與逆變單元相連、電流採樣控制單元與逆變單元相連、過流保護控制單元與逆變單元相連，所述逆變單元與驅動單元相連，所述逆變單元與永磁球形步進電動機相連；所述驅動電路共有四層、每層結構完全相同，每層之間通過電源線並聯連接，最大輸出電流高達15安培。

進一步的，所述逆變單元包括「h」橋逆變電路和電流比較電路，所述「h」橋逆變電路與電流比較電路相連，所述「h」橋逆變電路的輸出與永磁球形步進電動機的定子線圈相連，所述電流比較電路的輸出與電流採樣控制單元相連。

進一步的，所述驅動單元包括光耦隔離電路和功率放大電路，所述光耦隔離電路與功率放大電路相連，所述光耦隔離電路的輸入端通過逆變單元與邏輯轉換單元相連，所述功率放大電路的輸出端與逆變單元中「h」橋逆變電路的開關器件相連。

進一步的，所述邏輯轉換單元的輸入端通過數據總線與上位機相連、輸出端通過逆變單元與光耦隔離電路的輸入端相連。

進一步的，所述電流採樣控制單元包括微處理器和通訊電路，所述微處理器與通訊電路相連，所述微處理器的輸入端與逆變單元相連，所述通訊電路的輸出端通過數據總線與上位機相連。

進一步的，所述過流保護控制單元包括微處理器和過電流保護電路，所述微處理器的輸入端與電流採樣控制單元相連，所述微處理器的輸出端與過流保護器電路相連，所述過流保護電路的輸出與逆變單元相連。

本發明的有益效果在於：

1、本發明的驅動電路由單獨的微處理器控制，減少主控模塊的處理器工作負擔，當負載電流過大時，自動切斷負載，不僅保護電流控制裝置，而且防止電機燒壞。

2、本發明的驅動電路具有電流採樣功能，逆變電路設計電流比較電路，通過電流採樣控制單元，將輸出電流反饋給控制器ad採樣通道，實現電流閉環控制。

3、本發明的驅動電路採用分層模塊化設計思想，電源、逆變單元、驅動單元、邏輯轉換單元、電流採樣控制單元、過流保護控制單元單獨設計，各單元分工明確，便於設備的調試和維護

附圖說明

圖1、本發明的主要結構框圖。

圖2、本發明的驅動電路分層設計原理圖。

圖3、本發明的「h」橋逆變電路原理圖。

圖4、本發明的邏輯控制單元電路原理圖。

具體實施方式

一種三自由度運動永磁球形步進電動機驅動電路，驅動電路的結構框圖如圖1所示，包括電源、逆變單元、驅動單元、邏輯轉換單元、電流採樣控制單元、過流保護控制單元。邏輯轉換單元與逆變單元連接，驅動單元與逆變單元連接，電流採樣控制單元輸入與逆變單元連接，過流保護控制單元輸入與電流採樣控制單元輸出連接，過流保護控制單元輸出與逆變單元連接。驅動電路分四層設計，每層結構完全相同，每層之間通過電源線並聯連接。驅動電路的設計採用從上到下的頂層設計思想，圖2中duty-m1為上位機發來的1路pwm信號，flag-m1為上位機發來的電流極性輸出控制信號，這兩路信號傳送給驅動電路的邏輯控制單元。

逆變單元包括」h」橋逆變電路和電流比較電路，」h」橋逆變電路與電流比較電路相連，」h」橋逆變電路的輸出與電機定子線圈相連，電流比較電路的輸出與電流採樣控制單元相連。」h」橋逆變電路的原理圖如圖3所示。逆變電路的輸入端vref提供參考電壓，pwm1和pwm4控制vt1和vt4的通斷，當vt1、vt4導通時，輸出電壓out極性為正，為負載提供正向電流，pwm2和pwm3控制vt2和vt3的通斷，當vt2、vt3導通時，輸出電壓out極性為負，為負載提供負向電流，電感l1、l2起到輸出濾波的作用，電容c1、c2起到穩壓的作用。

驅動單元包括光耦隔離電路和功率放大電路，光耦隔離電路與功率放大電路相連，光耦隔離電路的輸入通過逆變單元與邏輯控制單元相連，功率放大電路的輸出與逆變單元中」h」橋逆變電路的開關器件相連。

邏輯轉換單元包括邏輯轉換電路，邏輯轉換電路的輸入通過數據總線與上位機相連，邏輯轉換電路的輸出通過逆變單元與驅動單元中光耦隔離電路的輸入相連。邏輯控制單元電路原理圖如圖4所示，當輸入信號pwm1為高電平時，通過邏輯器件u1產生的pwm3為低電平，通過邏輯器件u3產生的pwm4與pwm相同，當pwm1為低電平時，pwm3為高電平，通過邏輯器件u2產生的pwm2與pwm相同，這樣pwm1與pwm4為一組，pwm2和pwm3為一組，通過邏輯控制單元產生的輸出信號不會發生邏輯混亂，從而避免了逆變單元開關器件的誤動作。

電流採樣控制單元包括微處理器和通訊電路，微處理器與通訊電路相連，微處理器的輸入與逆變電路相連，通訊電路輸出通過數據總線與上位機相連。電流採樣控制單元中的微處理器，一方面負責將採樣到的電流信號通過數據總線反饋給上位機，一方面將採集到的過電流信號傳送給過流保護控制單元的微處理器。

過流保護控制單元包括微處理器和過電流保護電路，微處理器的輸入與電流採樣控制單元相連，微處理器的輸出與過流保護電路相連，過流保護電路的輸出與逆變單元相連。過流保護控制單元的微處理器負責將接收到的過電流信號進行處理，一旦發生過電流，立即切斷逆變單元，不僅保護了逆變單元和驅動電路，而且防止電機被燒壞

以上述依據本發明理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發明技術思想的範圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發明的技術性範圍並不局限於說明書上的內容，必須要根據權利要求範圍來確定其技術性範圍。